[논문]Zr/Ti 몰비에 따른 PZT-PCNS 압전 세라믹의 압전 및 유전 특성

이시용; 이용회; 이문주; 이종섭; 임기조

[국내논문] Zr/Ti 몰비에 따른 PZT-PCNS 압전 세라믹의 압전 및 유전 특성
The Dielertric and Piezoelectric Properties of PZT-PCNS Piezoelectric Ceramics with Zr/Ti Mole Ratio 원문보기

이시용 (충북대학교 전기공학과) , 이용회 (충북대학교 전기공학과) , 이문주 (충북대학교 전기공학과) , 이종섭 (충북대학교 전기공학과) , 임기조 (충북대학교 전기공학과)

In this paper, the piezoelectric and dielectric properties of $Pb(Zr_xTi_{1-x)O_3$ - $Pb(Co_{1/3}Nb_{1/3})O_3)$ piezoelectric ceramics have been investigated as a function of Zr/Ti mole ratio. From the results, when Zr/Ti mole ratio is 49/51, electromechanical coupling coefficient($k_p$), piezoelectric strain constant($d_{33}$) mechanical quality factor($Q_m$), and Permittivity(${{\varepsilon}_{33}}^T/{\varepsilon}_0$) is 64[%], 469[PC/N], 360 and 2000, respectively. Morphotropic Phase Boundary is Zr/Ti mole ratio(49/51) from XRD analysis. Also. From SEM observation, when sintering temperature is 1150[$^{\circ}C$], grain size is about $1{\sim}2[{\mu}m]$ and maximum sintering density is 7.85[$g/cm^3$].

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문제 정의

A-site vacancy# 별: 생시키는 첨가제로는 비교적 이온 반경이 큰 Nb"나 Sb5+ 이온을 Pb"이온과 치환하여 A-site를 점유하게 함으로써 전기적으로 중성을 유지하기 위해 Pb 空孔 (Pb-site vacancy) 을 유도한다. 따라서 본 논문에서는 PZT 압전 세라믹에 제3성분으로 Pb(Coi/3Nb2/3)O₃를선택하여 완전 고용하고 소량의 Sb2()3 를 첨가하여 Pb(ZrxTi(Px))O₃ - Pb(Coi/3Nbi/3 Sbi/3)O₃계 세라믹의 압전 및 유전 특성을 연구하였다.
본 논문에서는 PZT-PCNS계 세라믹스의 Zr/Ti의 몰비 변화에 따른 압전 및 유전 특성과 XRD분석에 의한 결정의 상전이 거동에 대하여 알아보고 SEM관측을 통해 세라믹의 미세 구조를 살펴보았다.

제안 방법

다시 혼합 및 분쇄하였다. 분쇄된 분말에 유기 바인더 PVB를 Iwt% 첨가하여 열교반하고 금형에 2〔ton/cm勺 압력으로 일축성형한 후, 600笔에서 6시간 burn-out을 행하였다.
이와 같이 제작된 시편은 Piezo d33-meter를 이용하여 압전 변형 정수(d33)를 측정하였고, 다른 유전 및 압전 정수의 측정은 Impedance Analyzer(4194A) 로부터 얻은 공진-반공진 등가어드미턴스 회로의 각 회로 정수를 IRE standard을 적용하여 구하였다.〔4〕 또한 제작된 , 시편의 미세 구조는 주사전자현미경 (SEM)으로 관찰하였으며.
standard을 적용하여 구하였다.〔4〕 또한 제작된 , 시편의 미세 구조는 주사전자현미경 (SEM)으로 관찰하였으며. Zr/Ti 변화에 따른 상전이 거동을 확인하기 위해 XRD분석을 행하였다.
〔4〕 또한 제작된 , 시편의 미세 구조는 주사전자현미경 (SEM)으로 관찰하였으며. Zr/Ti 변화에 따른 상전이 거동을 확인하기 위해 XRD분석을 행하였다.

이론/모형

시편의 제조는 일반적인 세라믹 제조공정을 따랐다. 즉, PbO, ZrO₂, TiO₂.

성능/효과

MPB(Morphotropic Phase Boundary) 영역에서는 능면체정구조와 정방정구조가 혼재되는 영역으로 분극 가능한 방향은 능면체정 구조와 정방정구조가 각각 8, 6개의 방향을 가지므로 MPB에선 14개의 분극 가능한 방향을 갖기 때문에 전기 기계 결합 계수가 큰 특성을 얻을 수 있고〔6〕 또한, MPB영역에서는 두상의 혼재로 분역벽의 이동도가 매우 자유로워지고 내부 응력이 증가하기 때문에 압전 및 유전 특성이 높고 기계적 품질 계수가 낮은 특성을 얻을 수 있다. 이로부터 PZT-PCNS 압전 세라믹 조성은 X가 0.49일 때 압전 및 유전 특성이 최대가 되고 기계적 품질계수는 최소가 되므로 Zr/Ti의 비가 49/51일 때 MPB영역임을 알 수 있고 이는 XRD분석을 통하여서도 확인할 수 있었다. 순수 PZT 의 MPB 인 Zr/Ti = 53/47과 비교해볼 때, PT-rich 쪽으로 이동함을 볼 수 있는데 이는 PZT계에 PCNS와 같은 복합 페로브스카이트 화합물이 고용될 때.
실험 결과로부터 0.9Pb(ZrxTi3w)O₃ - 0.1Pb(Coi/3Nbi/3 Sbi/3)C>3 계 압전 조성물에서 x = 0.49일 때, 전기기계결합 계수(kJ. 압전 변형 정수 (d33).
50사이에서 존재함을 통해 확인할 수 있었다. 또한 SEM을 통해 세라믹의 미세 구조를 조사한 결과, 소결 온도 1150CC〕에서 결정의 크기는 1-2W 였으며, 소성 밀도는 7.85〔g/cm³〕정도로 최대를 보였고 다른 온도에 비해 압전 및 유전 특성이 가장 좋게 나왔다. 따라서 최적의 소결 온도는 1150℃임을 알 수 있었다.
이로부터 X가 0.49일 때 압전 및 유전 특성은 최대가 되고 기계적 품질 계수는 최소가 되므로 능면체정 과 정방정구조가 혼재하는 MPB영역으로 생각되고 이는 XRD분석에서 X의 비가 증가할수록 , 회절 선에서 분리된 정방정계 회절선이 x = 50에서 명백히 회절선의 분리가 사라지고 능면 체정계 회절선을 보여줌으로써 계의 MPB가 X는 0.49와 0.50사이에서 존재함을 통해 확인할 수 있었다.

후속연구

압전진동모터와 같은 다양한 압전 디바이스로 응용할 수 있을 것으로 생각된다.

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